王啟業(yè)(華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030)

多電機同步控制在多臺水泵并列運行中的必要性

王啟業(yè)
(華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030)

分析了熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)中并列運行的大功率水泵組電機轉(zhuǎn)速不同步對泵組效率和運行振動的影響，提出了電機轉(zhuǎn)速不同步會導致泵組整體效率下降以及水泵運行振動加劇，并對并聯(lián)同步控制進行了仿真分析，驗證了并聯(lián)同步控制在多臺泵并列運行中的可行性。在國家節(jié)能降耗的政策背景下，同步控制對熱電廠降低廠用電率、優(yōu)化水泵運行顯得至關(guān)重要。

循環(huán)水泵組效率；并聯(lián)同步控制；節(jié)能降耗

0 引 言

廠用電率作為電廠節(jié)能降耗的一個重要指標，不容被忽視，熱電廠的廠用電率一般在8%左右[1]，廠內(nèi)主要的耗電設備多為水泵和風機，其中大功率的給水泵、凝汽器循環(huán)水泵、熱網(wǎng)循環(huán)泵及其凝結(jié)水泵都是多臺并列運行，并留有備用泵，這些泵耗電量很大，占整個廠用電的比例達到75%，因此，通過提高大功率水泵組的運行效率、降低其耗電量，來降低廠用電率顯得尤為重要。

在水泵的性能實驗中通過實驗數(shù)據(jù)計算出泵的運行效率，運行效率低可直接反映出水泵電耗高，造成廠內(nèi)水泵電耗高的原因主要有兩個：一是泵選型不合理，主要表現(xiàn)在泵的設計揚程比實際揚程偏大很多，這種情況，可通過泵腔內(nèi)葉輪改造使泵運行在高效區(qū)域；二是并列布置的泵組運行不合理導致泵組的整體效率下降，造成電耗增加。針對后者進行分析，通過國內(nèi)某電廠熱網(wǎng)水循環(huán)泵實驗數(shù)據(jù)驗證泵之間運行不同步導致泵組效率下降，并給出理論分析，利用MATLAB仿真分析得出：并聯(lián)同步控制可有效提升泵組運行效率。

1 熱網(wǎng)水循環(huán)泵組性能實驗

國內(nèi)某熱電廠熱網(wǎng)首站配套8臺熱網(wǎng)循環(huán)泵，循環(huán)泵型號為KQSN/J350-M4/693，單極雙吸離心泵，一拖一變頻控制，設計為6用2備，最多實際運行數(shù)量為7臺。供熱末期對其中4臺熱網(wǎng)水循環(huán)泵進行了性能考核。

1.1 熱網(wǎng)水循環(huán)泵組并列運行結(jié)構(gòu)

圖1 熱網(wǎng)水循環(huán)泵的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 熱網(wǎng)循環(huán)泵參數(shù)及其實驗參數(shù)

熱網(wǎng)循環(huán)泵設計參數(shù)如表1所示。

表1 熱網(wǎng)循環(huán)泵設計參數(shù)

性能實驗分為5個工況進行，如表2所示。

表2 試驗工況表

實驗數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 實驗數(shù)據(jù)記錄

注：循環(huán)泵揚程設計偏離設計值過大，導致泵效率偏低。

1.3 實驗數(shù)據(jù)分析

圖2 熱網(wǎng)循環(huán)泵組效率與流量的關(guān)系曲線

從圖2中可以看出，泵組轉(zhuǎn)速不同步(工況1：頻率不同步)時，泵組的效率明顯低于轉(zhuǎn)速相同時的工況。實驗中還發(fā)現(xiàn)，頻率不同步的泵組中有2臺泵振動明顯加劇，主要是因為頻率低的水泵被“搶水”，泵流量下降，進出口管路水流出現(xiàn)周期性喘息現(xiàn)象，導致泵的振動加劇，運行不穩(wěn)定。

2 多電機同步控制方案

對多電機的同步控制研究，大致分為4種[2]：(1)基于同一給定電壓的并聯(lián)運行方法，各電機的速度環(huán)采用同一給定電壓,這種方法線路簡單，實現(xiàn)容易，但啟動同步跟隨性好，抗負載擾動能力差；(2)基于同一給定電壓的串聯(lián)運行方法，以前一臺電機的轉(zhuǎn)速輸出作為下一臺電機的速度給定，這種方法簡單易行，但啟動過程跟隨性能不是很理想，抗負載擾動不十分理想；(3)基于補償原理的輸出耦合控制方法，在各電機采用同一給定電壓或以前一臺電機的轉(zhuǎn)速輸出作為下一臺電機的速度給定的基礎上，比較主從電機的轉(zhuǎn)速，其差值經(jīng)補償器加到從或主電機的控制輸入端，這種方法使同步控制精度和抗負載擾動能力都得到了很大的提高，在實際應用中使用最廣泛，補償?shù)姆绞椒椒ú煌Ч灿胁町悾?4)基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，這種控制方法主要是在前3種方法的基礎之上將現(xiàn)代控制理論應用到控制kongz控制器的設計和被控對象的模型辨識中。

鑒于上述幾種同步控制方法實現(xiàn)難易程度不同，綜合考慮電廠實際運行邏輯，提出將簡單易實現(xiàn)的并聯(lián)同步控制方法運用到熱網(wǎng)水循環(huán)泵組的控制中，即所有電機給定同一轉(zhuǎn)速，并聯(lián)同步控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 并列同步控制結(jié)構(gòu)圖

3 模型設計與仿真分析

在實際運行中，拖動熱網(wǎng)水循環(huán)泵的電動機采用大功率的三相異步交流電動機。交流電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)[3]。在實際工程中大多運用矢量控制技術(shù)[4]，通過坐標變換，把交流電動機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，用來分別控制電動機的轉(zhuǎn)矩和勵磁，獲得和直流電動機相仿的高動態(tài)性能，因此這里直接選取直流電動機來做仿真研究。

3.1 模型設計

選取直流電動機參數(shù)：額定數(shù)據(jù)為10 kW，220 V，55 A，1 000 r/min，電樞電阻Ra=0.5 Ω；通過計算得出電動機的電動勢系數(shù)Ce=0.192 5 V·min/r，取電樞回路總電阻R=1 Ω，飛輪慣量GD2=10 N·m2，通過計算，得出電磁時間常數(shù)Tl=0.017 s，機電時間常數(shù)Tm=0.075 s。

實際中同一型號電動機的參數(shù)通常都是略有差別，取4臺電機的電磁時間常數(shù)和機電時間常數(shù)如表4所示。

表4 各電機電磁時間常數(shù)和機電時間常數(shù)

電動機的轉(zhuǎn)速由變頻器來調(diào)節(jié)，將變頻器中電力電子變換裝置看作一階慣性環(huán)節(jié)KsTsS+1，在直接轉(zhuǎn)速給定下將變頻器傳遞函數(shù)取為0.05s+0.03。轉(zhuǎn)速跟蹤控制器選用PI調(diào)節(jié)滿足無靜差。

基于Ziegler-Nichols方法的PID整定[5]：該方法是基于穩(wěn)定性分析的PID整定方法。整定比例系數(shù)的思想是，首先置KD=KI=0，然后增加Kp直至系統(tǒng)開始振蕩(即閉環(huán)系統(tǒng)極點在軸上)再將Kp乘以0.6，即為整定后的比例系數(shù)Kp。

整定公式如下。

Kp=0.6Km;KD=Kpπ4ωm;KI=Kpωmπ

(2)

式中，Km為系統(tǒng)開始振蕩的K值;ωm為振蕩頻率。

利用根軌跡法可以確定Km和ωm。對于給定的被控對象函數(shù)，可以得到其根軌跡。對于穿越軸時的增益即為Km，而此點的ω值即為ωm。

通過Ziegler-Nichols方法的PID整定得到：Kp=14.263 4，KI=0.453 2，KD=0.125 1；在仿真中將跟蹤控制器傳遞函數(shù)取為14.26s+0.45s。

3.2 仿真分析

給定電機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，4臺電機的轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出僅在1 s以后，4臺電機轉(zhuǎn)速就都達到1 000 r/s，速度同步性能相當好。

在5 s的時刻，模擬兩臺電機的電源發(fā)生擾動，即給電機1施加+5A的階躍負載電流，給電機2施加-5 A的階躍負載電流，4臺電機的轉(zhuǎn)動速度曲線如圖5所示。

5 s時電機1與電機2的速度曲線發(fā)生了變化，如圖5所示。它們的速度超調(diào)量為

圖4 載重恒定下4臺電機轉(zhuǎn)動速度曲線

圖5 電源擾動下4臺電機轉(zhuǎn)動速度曲線

σ%=1 070-1 0001 000×100%=7%

可以滿足實際工程中對平穩(wěn)性的要求，恢復時間tv=2 s。

4 總 結(jié)

通過性能實驗驗證了循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速不同會導致泵組整體效率下降、泵振動加劇，并給出了理論分析。提出將并聯(lián)同步控制運用于泵組的同步控制中，可有效提升泵組的整體效率，使泵運行更加穩(wěn)定，延長泵的使用壽命。建議國內(nèi)熱電廠推行這種控制方式，進一步降低廠用電率，降低熱電廠運行成本，同時達到“節(jié)能減排”的目的。

[1] 王林川．電廠廠用電率及對策[J]．東方電氣評論，2002，16(3)：158．

[2] 劉福才，張學蓮，劉立偉．多級電機傳動系統(tǒng)同步控制理論與應用研究[J]．控制工程，2002，9(4)：87-89．

[3] 陳堅．交流電機數(shù)學模型及調(diào)速系統(tǒng)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1989．

[4] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005：206．

[5] 劉金琨．先進PID控制MATLAB仿真(第2版) [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004:86-87．

The influence of out-sync motor speed of high-power water pump in parallel operation on the efficiency of pump units and operation vibration is analyzed in the circulating water system of the heat supply network. It is proposed that the motor speed which is out of sync will lead to the reduced overall efficiency and excessive vibration of the pump units. The simulation analysis shows that the feasibility of parallel synchronization control is verified in the parallel operation of multiple pumps. In the context of energy conservation and consumption reduction policy, the synchronization control is of great importance to the reduction of auxiliary power rate and the optimization of pump operation.

efficiency of circulating pump units; parallel synchronization control; energy conservation and consumption reduction

TM763

A

1003-6954(2015)02-0082-03

2014-11-11)

王啟業(yè)(1985)，碩士研究生，研究方向為電站控制與節(jié)能技術(shù)。